不同林齡柑橘園碳氮磷分配及生態(tài)化學計量特征研究

楊好運　賈國梅　杜祥運　張寶林　許文年

摘要：選取了鄰近的3種林齡（10、20和30年）的柑橘（Citrus reticulata Blanco.）凋落物和土壤作為研究對象，研究其碳氮磷化學生態(tài)計量特征，了解三峽庫區(qū)柑橘園生態(tài)系統(tǒng)的碳氮磷分布格局及其生態(tài)化學計量特征。結果表明，碳氮磷含量均表現為凋落物<土壤。林齡對凋落物碳氮含量、凋落物C/N、土壤C/N和土壤C/P均無顯著影響，但是對凋落物磷、土壤碳氮磷、凋落物C/P和N/P以及土壤N/P影響顯著。隨著柑橘林齡的增大，土壤碳氮磷含量和土壤N/P逐漸提高，而凋落物磷隨著柑橘林齡的增大呈現出先提高，20年達到最大值，其后又降低的趨勢，凋落物C/P和N/P呈現降低的趨勢。

關鍵詞：土壤；凋落物；生態(tài)化學計量；柑橘（Citrus reticulata Blanco.）

中圖分類號：S666.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）06-1402-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.06.011

生態(tài)化學計量學研究生態(tài)系統(tǒng)能量平衡和多重化學元素平衡，特別是碳氮磷循環(huán)及其相互關系[1]，對于植物通過改變養(yǎng)分利用策略，進而適應環(huán)境變化具有重要意義[2]。森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠顯著改善土壤肥力，反之，土壤能夠提供樹木生長發(fā)育所需要的營養(yǎng)物質，兩者相輔相成。然而，目前對土壤和凋落物中碳/養(yǎng)分比值差異與生態(tài)系統(tǒng)功能之間關系的認識尚不清楚[3]。

柑橘（Citrus reticulata Blanco.）果樹廣泛分布于長江流域，是三峽庫區(qū)的支柱產業(yè)之一，由于其樹木高大，根系分布范圍深而廣，能夠減少土壤流失和養(yǎng)分損失[4，5]，所以又成為三峽庫區(qū)治理水土流失的重要措施和退耕還林模式之一[5]。然而，柑橘大多是純人工經濟林，密植、中耕除草、修剪、噴藥和施肥強化了人為作用對柑橘林土壤的持續(xù)擾動，雖然提高了產量，但是改變了土壤營養(yǎng)物質的循環(huán)機制，創(chuàng)造了特有的生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質的循環(huán)機制。但是很少有研究報道柑橘生態(tài)系統(tǒng)凋落物和土壤碳氮磷的生態(tài)化學計量特征。本研究主要探討不同林齡柑橘葉的凋落物和土壤碳氮磷的生態(tài)化學計量特征，為柑橘的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于三峽庫區(qū)首市宜昌市秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)。該區(qū)東經110°41′25.2″-110°41′51.2″、北緯30°55′04.8″-30°55′10.2″，海拔236～267 m。年均降水量為1 140～1 200 mm。夏季雨水豐沛比較長的降水過程都發(fā)生在6～7月，雨熱同季，全年積溫較高，無霜期較長，年平均氣溫為17～19 ℃。

1.2 研究方法

選擇坡度大于15°的10、20和30年的柑橘樣地各兩個樣方（10 m×10 m），分別在每個樣方內用土鉆隨機取0～10 cm土層的土樣按“S”形布設取樣點5個，混合為一個樣，迅速撿去枯枝落葉后，自然風干用于土壤有機碳、全氮和全磷的分析。同時在相應的柑橘林下選擇1 m×1 m的3個小樣方收集地表凋落物，將采集好的樣品混合均勻后放入紙質檔案袋中，做好標記帶回實驗室。經過105 ℃殺青、65 ℃烘干、機械磨碎后測定柑橘凋落物的C、N、P 含量。

有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，全氮用凱式定氮法測定，全磷用鉬銻抗比色法測定。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數據的處理比較用Turkeys-b單因素方差分析，相關性分析用Pearsons test分析，用SPSS 11.5軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同年限柑橘凋落物和土壤碳氮磷含量

由表1可見，碳氮含量表現為凋落物>土壤，而磷含量卻是土壤>凋落物。隨著柑橘林齡的增加，凋落物碳氮的質量分數并無顯著的變化，而土壤碳氮的含量呈現逐漸提高的趨勢；凋落物的磷含量的排序是20年>30年>10年，而土壤磷的含量是隨著柑橘林齡的增大而逐漸增大。這意味著隨著柑橘林齡的增大，凋落物對土壤碳氮的影響并不顯著。

2.2 不同年限柑橘土壤碳氮磷生態(tài)化學計量

由表2可見，土壤的C/N平均值為147.33，3個林齡之間均無顯著性的差異，而凋落物C/P平均值為2 025.02，10年林齡的凋落物C/P顯著大于20和30年林齡的凋落物C/P，20和30年林齡的凋落物C/P之間無顯著性差異，土壤C/P在3個林齡之間均無顯著性差異；凋落物的N/P平均值為14.36，且隨著林齡的增大逐漸降低，而土壤N/P卻隨著林齡的增大而增大，意味著凋落物和土壤C/N都有內穩(wěn)態(tài)。N/P值越高，尤其是N/P值大于25∶00時意味著凋落物的分解受P的限制越強[6]。柑橘地凋落物C∶N∶P比值為1 904∶17∶1，全球尺度下凋落物比值為3 007∶45∶1[7]，可見柑橘地凋落物C∶N∶P比值比全球平均值低。

2.3 凋落物和土壤碳氮磷之間的相關性分析

相關性分析的結果（表3）表明，土壤碳與土壤氮（P<0.01）、磷（P<0.05）之間具有顯著的正相關性，土壤氮與土壤磷之間具有顯著的負相關性。而凋落物碳氮磷之間卻無顯著相關性，土壤碳氮磷與凋落物碳氮磷之間也無顯著的相關性。這進一步說明，凋落物碳氮磷對土壤碳氮磷的影響并不顯著。

由表4可知，土壤C/N與其他的比值之間均無顯著的相關性。土壤C/P與土壤N/P之間具有極顯著的正相關性（P<0.01），與凋落物C/P之間具有極顯著的負相關性（P<0.01）。土壤N/P與凋落物N/P及凋落物C/P之間均具有極顯著的負相關性（P<0.01）。凋落物C/P與凋落物N/P之間具有極顯著的正相關性（P<0.01）。

3 小結與討論

凋落物碳氮含量顯著大于土壤的碳氮含量，而磷的含量卻是土壤大于凋落物。隨著柑橘林齡的延長，凋落物碳氮含量并無顯著差異，土壤碳氮磷含量逐漸提高。隨著柑橘林齡的延長，凋落物和土壤C/N均無顯著變化，而凋落物N/P呈現降低的趨勢，土壤N/P呈現提高的趨勢。柑橘林地整體上循環(huán)速率有提高的趨勢，凋落物基質趨向更有利于養(yǎng)分釋放和碳固持的方向發(fā)展。

3.1 不同林齡柑橘凋落物、土壤的C、N、P含量

研究表明，隨林齡的增加土壤中C、N、P含量不斷積累，呈上升趨勢。土壤有機質是土壤肥力的物質基礎，是以氮元素為主的各種營養(yǎng)元素的主要來源，而土壤中有機質的最主要來源是凋落物和根系分泌物[8]，凋落物能夠在土壤動物與微生物的作用下較快分解并將養(yǎng)分釋放到土壤中[9]，因而凋落物養(yǎng)分歸還會直接影響土壤C、N、P含量。孫寶偉等[10]和Luyssaert等[11]的研究也表明植被群落年齡顯著影響著土壤有機碳積累。隨著林齡增加，柑橘樹生長相對減緩，自身物質合成量減少，對C、N、P的需求降低，土壤中C、N、P的積累量遠大于消耗量，故土壤C、N、P均在成熟林時期得到積累。

本研究中柑橘林地凋落物C、N含量在不同林齡間沒有顯著性差異，這與前人對凋落物C、N含量隨林齡增加的結果有所不同[12]，主要原因為：一方面由于柑橘地屬于農田生態(tài)系統(tǒng)，作為農產品的柑橘果實當中的C、N部分不能歸還于農田生態(tài)系統(tǒng)，無法參與其物質循環(huán)；另一方面養(yǎng)分含量較低的土壤環(huán)境也會影響凋落物的分解。有研究表明，凋落物的分解速度與土壤中養(yǎng)分含量以及凋落物的C/N值有關[8]。柑橘地土壤養(yǎng)分含量隨林齡增加不斷積累，凋落物的C/N值也呈現緩慢的上升趨勢，微生物數量及酶活性提高，凋落物的分解也逐漸加快，化合物分解加快且難分解部分比例減少。凋落物中C、N增加的量與作為農產品輸出農田生態(tài)系統(tǒng)的量相當，故凋落物C、N含量在不同林齡間差異不明顯。凋落物P含量則是20年林齡最高，通過凋落物分解等養(yǎng)分釋放過程，土壤的養(yǎng)分含量受到植物的影響，這表明此階段柑橘葉片有較高的P濃度[13]。而且有研究表明林分密度較大，林下凋落物較多，較高的郁閉度使林下光照減少，光照不足也會降低凋落物的分解速度與養(yǎng)分釋放量。

3.2 不同林齡柑橘凋落物、土壤的C、N、P養(yǎng)分化學計量特征

凋落物是連接植物與土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要紐帶，影響著生產力的高低[14，15]，而植物調整自身的生長速率對環(huán)境的適應可以通過對植物組織C∶N∶P等元素的化學計量比值的變化表現，因此，凋落物的積累和分解速度一定程度上受其本身養(yǎng)分元素化學計量比例影響[16，17]。本研究中隨著林齡的增加，凋落物的C∶N和N∶P的值均顯著性降低，這與劉亞迪等[18]對雷竹林凋落物養(yǎng)分的研究結果一致，有研究顯示，N∶P值是制約凋落物分解和養(yǎng)分循環(huán)的重要因素，凋落物在N素較低的情況下具有較高的P素含量。較高的N∶P值以及較低P含量情況下，由于P元素的缺乏顯著限制著凋落物的分解，凋落物中的養(yǎng)分分解速率緩慢[19]；相反，N∶P值較低以及較高的P含量，分解速度相對較快。當植物生長旺盛時，為了滿足其生理需要，可通過對P素的吸收與富集來合成更多的rRNA[20]，此時C∶P與N∶P值較低。但是，植物P素主要由土壤提供，與土壤P含量有較強的偶聯性[21]，因此P含量隨林齡的變化對植物的元素比值有較大影響。本研究中林齡為20年、30年凋落物N∶P比值要比林齡為10年顯著降低，而P含量明顯升高，表明隨著柑橘林地林齡增加，凋落物分解速率加快，受P素的限制作用降低，轉化為土壤腐殖質的過程越強烈，從一定程度上改善了土壤的狀況。

有研究表明[22]，C∶N值、C∶P值及N∶P值對凋落物分解速率的影響有所不同，C∶N值、C∶P值與分解速率具有正相關關系，而N∶P值具有相反的現象。凋落物P含量偏低時N及木質素的含量就會較高，即此時N∶P值較高，分解速率較低。N∶P值大于25且P含量低于0.22 g/kg的狀況下，N∶P值越高，P元素缺乏對凋落物的分解限制越顯著[23]。研究區(qū)各林齡植被群落的凋落物N∶P值均小于25，林齡為10年時P含量小于0.22 mg/g，20、30年時P含量均大于0.22 mg/g，表明凋落物的分解受到P元素限制較小，分解加快，但不利于養(yǎng)分的存儲，而林齡為10年的柑橘地凋落物分解速率相對較慢。以上結界表明，隨著林齡的增加，柑橘林地植被返還的凋落物C、N和P含量增加而使其本身的C、N和P儲量下降，而C∶N、C∶P和N∶P呈現降低的趨勢，整體上循環(huán)速率有提高的趨勢，柑橘林地凋落物基質趨向更有利于養(yǎng)分釋放和碳固持的方向發(fā)展。

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